2021-4-13 | 桥梁工程论文
一、桩基竖向力产生的原因及机理
要想使桩基产生承载力，最基本的条件就是桩基础与土体之间产生一定量的位移。一般桩基础由于自身重力以及桩基础顶端荷载的作用会发生向下的移动，从而导致桩基与土体之间出现了相对的位移，这种位移直接导致了桩基与土体之间产生相互的剪力，这种剪力会随着相对位移的不断增加而逐渐增大，当达到剪力的最大值时，桩基上继续增加的荷载将会由桩基底端的支撑力来承担，这是大多数桩基受力的基本特征。造成桩基和土体之间产生相对位移的主要原因是：桩基自身的压缩沉降、装基底部的沉降变形以及撞击周围土体的沉降变形等。一般而言，桩基自身产生的型变量较小，另外两种变形是导致桩基沉降位移出现的主要原因。
我国公路桥梁桩基出现沉降变形主要是由于当前国内施工所采用的方法和水平限制，当前很多国内公路桥梁路基施工采用的是钻孔桩，很多施工过程都存在孔底清理不彻底的现象，这一部分未清理的沉渣会在桩孔底形成一层软弱层，引起桩基的沉降现象。
二、准确计算桩基的承载力
在进行公路桥梁桩基设计和施工时，不能简单的依靠一些以往的经验来进行，需要对一些重要的数据进行专业科学的计算。桩基是用来支撑桥面及车辆的重要部分，因此，需要对桩基的最大支撑能力进行有效地计算，从而更好的设计桥梁所能承受的最大重量，保证桥梁和车辆的相应安全问题。在对公路桥梁桩基最大承载力进行计算时，应该参照我国当前相关的公路桥梁桩基计算公式进行计算，公式的表达式为：[P]=（clA+c2Uh）Ra。在该式中[P]表示的是桩基所能承受的最大承载力，Ra表示桩基底部岩石的极限抗压力强度，h表示的是桩基深入底部岩石中的深度，U表示的是桩基进入岩石层内部分的地面周长，而A表示的是装基底部的截面积，另外的cl和c2都表示的是一个相对固定的系数。
在使用这一公式进行桩基最大承载力时，应该注意一些相关的补充和说明条件，比方说h指的是桩基在去除风化层后深入岩石层的深度，如果在计算过程中不重视这一问题，那么将直接导致最终的计算结果与实际差生偏差，从而给整座公路桥梁项目带来一定的安全隐患。此外，工程中对于公式计算结果的影响因素较多，而且处于一种经常变化的状态下，所以，设计施工过程中也不能太过于依赖这一公式，通过对工程实际的情况进行分析后，在合适的情况下充分利用好这一公式，可以帮助工程设计施工得到相应的准确结果。
三、桩基负摩阻力
桩基与土体之间的相对位移是桩基承载力实现的必要条件。对于摩擦桩而言，桩基提供给荷载的支撑力主要来源于桩基与土体之间相对位移产生的摩擦力。通常在计算桩基承载力时所使用的摩阻力都是正摩阻力，也就是桩基自身的沉降大于周围土体的沉降，产生的摩阻力方向是向上的。但是在一些软土层路段或者桥台路段的施工时，由于软土层受到周围填土以及车辆的压力作用，软土层会出现较为明显的压缩变形，出现沉降现象，当周围土体的沉降量明显大于桩基的沉降量时，土体与桩基之间的摩阻力方向就会出现向下的现象，这就是所谓的负摩阻力。通常在进行撞击设计时，如果没有对负摩阻力进行充分的考虑，那么将会给桩基施工带来巨大的影响。首先，会使摩擦桩基沉降的速度明显加快，从而影响整个桥梁工程的上下整体结构，其次，这种沉降会对端承桩的桩基本身以及桩基底部坚硬层产生破坏。造成负摩阻力出现的主要原因有：
（1）桩基周围的地面存在大量的荷载，比方说桥台周围的填土，非常容易导致软弱土体层由于沉降量大引起负摩阻力；
（2）由于桩基下的地下水位降低，使得周围土体中效应力升高，土体出现固结的现象，从而出现沉降的现象；
（3）桩基经过还没有固结的软弱土层或新填的土层，由于土体自身的重力作用，导致土体出现固结的现象，出现沉降。所以在进行桩基设计时，应该充分考虑上述现象，并采取相应的预防措施，防止出现土体大幅沉降引起负摩阻力。
一般，桩基出现负摩阻力的范围并不是整个软土层都会发生。桩基周围的软土层沉降，导致桩基所受的正摩阻力不断减小，在桩基的顶部会出现一定范围的负摩阻力，随着软土层沉降的逐渐增加，桩基受到负摩阻力作用的范围会逐渐减小，当到达某一特定深度时，桩基所受的侧摩擦力刚好为零，这一点称之为中性点。一般在中性点的上部土体的沉降量大于桩基的沉降量，形成一段负摩阻力区域，而中性点的下面，桩基的沉降量要大于土体的沉降量，形成正摩阻力区域。
一般中性点的位置并不是固定不变的，它受多种因素影响。
（1）桩基底部坚硬土层或岩石层的强度，一般强度越大，中性点的位置越靠下，对于端承桩，它的中性点往往在桩基的最下方；
（2）桩基周围土体的力学性质，如果桩基周围土体的压缩性越好，那么桩基中性点的位置就越靠下；
（3）桩基周围地下水位的降低程度及范围，通常地下水位降低的越多，桩基的中性点位置也就越靠下；
（4）桩基自身的长径比，这一比值越小，截面刚度越大，那么桩基的中性点位置就越靠下。
四、嵌岩深度和桩端持力层厚度
在公路桥梁桩基设计时，经常会遇到两层软弱土层中间需要穿过一层具有一定厚度和强度的岩石层的情况。如果这一岩石层的强度无法满足桩基对持力层的强度要求，那么就必须要求桩基穿过这一岩石层。通常这种情况下，岩石层的厚度可以利用以下几个方面的内容来确定：
（1）不考虑桩身周围覆盖的土层侧阻力，在嵌岩灌注桩的周边嵌入完整或较完整的未风化、微风化以及中风化硬质岩体的最小深度，按构造要求0.5m；
（2）要求桩底以下3倍桩径范围内没有软弱夹层、洞隙以及断裂带分布；
（3）在桩端应力扩散范围内没有岩体临空面。为了保证桩基设计的经济性与合理性，应结合经验值与试算数值，来确定嵌岩深度和桩端持力层的厚度。
1、采取合理的桩基配筋布置
基桩各截面的配筋，理论上应根据桩基内力进行计算布置。桩基内力可采用“m”法或其他有可靠依据的方法计算。按“m”法计算桩基时，桩身弯矩有四个特点。
（1）弯矩分布规律近于一条自顶向下衰减的波形曲线，且衰减很快；
（2）桩身最大弯矩发生在第一个非完整波形内，一般在地面以下约3m位置；
（3）桩身弯矩在第一个弯矩零点以下很小，可以忽略不计，其下桩身主要起传递竖向力作用；
（4）第一个弯矩零点位置在桩人土深度h=4/ah处。
2、在设计中通常有两种钢筋布置方式
一种是根据最大弯矩处进行配筋，另一种是将基桩主筋一半部分一直伸到桩底。从桩体受力和节省工程费用以及发生事故处理的难度来看，前一种更合理。但是，第二种配筋方式可以减小施工难度，桩基灌注混凝土时，钢筋笼的定位是十分重要的，钢筋布置到桩底，易于固定钢筋笼。
五、总结
总之，公路桥梁桩基的设计包括大量繁琐的工作，在进行设计时必须对公路桥梁桩基周围的受力情况、最大承载力计算、负摩阻力以及嵌岩深度等多方面内容进行细致的分析计算，只有这样才能够保证公路桥梁桩基设计更加科学合理，从而更好的提升公路桥梁的安全性和可靠性，同时有效地降低公路桥梁工程的造价，为公路桥梁施工带来巨大的贡献。
作者：陈志礼 张峰 单位：武汉衡通公路勘察设计院有限公司